JP2012523089A - Fuel cell and flow field plate for fluid supply - Google Patents

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Abstract

燃料電池１０で用いられる流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、非多孔質プレートボディ３０を備えており、この非多孔質プレートボディ３０は、該ボディ３０の第１の端部３６と第２の端部３８との間に延びる流れ場４０を有している。流れ場４０は、チャネル入口４２およびチャネル出口４４を有した複数のチャネル３２，３４と、第１の端部３６からチャネル入口４２へと末広がりに拡散する流体入口部５０と、チャネル出口４４から第２の端部３８へと集束する流体出口部５２とを備えている。流れ場プレートを有した燃料電池１０は、電極アッセンブリ１４を有しており、該電極アッセンブリ１４は、アノード触媒２０ｂとカソード触媒２０ａとの間に配置された電解質１８を備えている。流れ場プレートの流れ場４０は、電極アッセンブリ１４と並列に配置されている。流れ場プレートを加工処理する方法は、非多孔質プレートボディ３０に流れ場４０を形成するステップを含む。The flow field plates 16 a and 16 b used in the fuel cell 10 include a non-porous plate body 30, and the non-porous plate body 30 includes a first end 36 and a second end of the body 30. 38 has a flow field 40 extending between the two. The flow field 40 includes a plurality of channels 32, 34 having a channel inlet 42 and a channel outlet 44, a fluid inlet 50 diffusing from the first end 36 to the channel inlet 42, and a first channel from the channel outlet 44. And a fluid outlet 52 that converges to the second end 38. The fuel cell 10 having a flow field plate has an electrode assembly 14, and the electrode assembly 14 includes an electrolyte 18 disposed between the anode catalyst 20b and the cathode catalyst 20a. The flow field 40 of the flow field plate is arranged in parallel with the electrode assembly 14. The method of processing the flow field plate includes forming a flow field 40 in the non-porous plate body 30.

Description

本発明は、燃料電池の流れ場プレートに関する。   The present invention relates to a flow field plate for a fuel cell.

燃料電池は、一般に、反応物、例えば、燃料と酸化物との間の周知な電気化学反応によって電流を生成するために、アノード触媒と、カソード触媒と、該アノード触媒と該カソード触媒との間に位置する電解質とを備えている。燃料電池は、触媒の各々へと反応物を案内するためのチャネルを有した流れ場プレートを備えることができる。従来の燃料電池においては、反応ガスや冷媒をチャネルへと供給し、該チャネルから排出ガスや冷媒を受けるように流れ場プレートを通して延びる入口マニホールドおよび出口マニホールドが用いられている。流れ場プレートは、一般に、長方形である。   A fuel cell generally consists of an anode catalyst, a cathode catalyst, and an anode catalyst and the cathode catalyst to generate an electric current by a known electrochemical reaction between reactants, for example, a fuel and an oxide. And an electrolyte located in the area. The fuel cell can include a flow field plate with channels for guiding reactants to each of the catalysts. In a conventional fuel cell, an inlet manifold and an outlet manifold are used that extend through a flow field plate so as to supply reaction gas and refrigerant to a channel and receive exhaust gas and refrigerant from the channel. The flow field plate is generally rectangular.

マニホールドの配置には、多通路流れ場の設計が必要となることが多く、この設計においては、流れ場を横切る少なくとも数個の通路を形成するように、反応物が、流れ場の一方の側から第１のチャネルセットを通して流れ場の他方の側へと通流し、他のチャネルセットを通して流れ場を横切って戻る。多通路設計に関連する１つの課題は、高い燃料電池性能を達成することである。例えば、反応ガスの湿度、温度および他の特性が、チャネルを介して著しく変化し、燃料電池の性能が低下し得る。燃料流、空気流、冷媒流の間の特定の構成を有してなる単通路設計が、例えば、ガスの湿度および温度の変化による影響を減少するための解決策として提案されてきた。しかし、単通路設計においては、望ましい性能を達成させる程には、反応ガスが触媒へ適切に供給されず、また、所定のパッケージングやマニホールドの配置が制限される。   Manifold placement often requires a multi-pass flow field design in which the reactants are placed on one side of the flow field so as to form at least several passages across the flow field. Through the first channel set to the other side of the flow field and back across the flow field through the other channel set. One challenge associated with multi-passage design is achieving high fuel cell performance. For example, the humidity, temperature, and other characteristics of the reactant gas can vary significantly through the channel and fuel cell performance can be degraded. A single-passage design having a specific configuration between fuel flow, air flow, and refrigerant flow has been proposed as a solution to reduce the effects of, for example, changes in gas humidity and temperature. However, in a single passage design, the reactive gas is not properly supplied to the catalyst to the extent that the desired performance is achieved, and the predetermined packaging and manifold placement is limited.

燃料電池において用いられる例示的な流れ場プレートが、非多孔質プレートボディを有しており、非多孔質プレートボディは、その第１の端部と第２の端部との間に延びる流れ場を備えている。流れ場は、チャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、第１の端部からチャネル入口へと拡散する流体入口部と、チャネル出口から第２の端部へと集束する流体出口部とを備えている。   An exemplary flow field plate used in a fuel cell has a non-porous plate body that extends between a first end and a second end thereof. It has. The flow field includes a plurality of channels having a channel inlet and a channel outlet, a fluid inlet portion that diffuses from the first end to the channel inlet, and a fluid outlet portion that converges from the channel outlet to the second end. It has.

例示的な燃料電池が、電極アッセンブリを有した流れ場プレートを備えており、電極アッセンブリは、アノード触媒とカソード触媒との間に配置された電解質を備えている。流れ場プレートの流れ場は、電極アッセンブリと並列に配置されている。   An exemplary fuel cell includes a flow field plate with an electrode assembly that includes an electrolyte disposed between an anode catalyst and a cathode catalyst. The flow field of the flow field plate is arranged in parallel with the electrode assembly.

流れ場プレートを加工処理するための例示的な方法は、流れ場が、非多孔質プレートボディの第１の端部と第２の端部との間に延び、チャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、第１の端部からチャネル入口へと拡散する流体入口部と、チャネル出口から第２の端部へと集束する流体出口部とを備えるように、非多孔質プレートボディに流れ場を形成することを含む。   An exemplary method for processing a flow field plate has a flow field that extends between a first end and a second end of a non-porous plate body and has a channel inlet and a channel outlet. The non-porous plate body flows to include a plurality of channels, a fluid inlet portion that diffuses from the first end to the channel inlet, and a fluid outlet portion that converges from the channel outlet to the second end. Including forming a field.

本発明の実施例における例示的な燃料電池の選択された部分の部分的な組立分解図である。2 is a partially exploded view of selected portions of an exemplary fuel cell in an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施例の例示的な流れ場プレートの図である。FIG. 5 is an exemplary flow field plate of an embodiment of the present invention. 本発明の実施例における流れ場プレートの例示的な流体入口部の断面図である。2 is a cross-sectional view of an exemplary fluid inlet portion of a flow field plate in an embodiment of the present invention. FIG.

図１には、例えば、反応ガスの間の周知な電気化学反応により電流を生成するための例示的な燃料電池１０の選択された部分の部分的な組立分解図が示されている。開示した燃料電池１０の構成は、例示するのみであり、本明細書に開示した概念を他の燃料電池構成に適用することができることを理解されたい。   FIG. 1 shows a partial exploded view of selected portions of an exemplary fuel cell 10 for generating a current, for example, by a known electrochemical reaction between reactant gases. It should be understood that the configuration of the disclosed fuel cell 10 is exemplary only and the concepts disclosed herein can be applied to other fuel cell configurations.

例示的な燃料電池１０は、１つまたは複数の燃料電池ユニット１２を備えており、該燃料電池ユニット１２は、燃料電池１０のアッセンブリを提供するように周知の方法で積層され得る。燃料電池ユニット１２の各々は、電極アッセンブリ１４と、該電極アッセンブリ１４に反応ガス（例えば、空気および水素）を供給するための流れ場プレート１６ａ，１６ｂとを備えている。流れ場プレート１６ａを、空気を供給するための空気プレートとすることができ、流れ場プレート１６ｂを、水素を供給するための燃料プレートとすることができる。流れ場プレート１６ａ、流れ場プレート１６ｂ、またはこれらの双方は、燃料電池１０の望ましい動作温度を維持し、かつ、電極アッセンブリ１４を望ましい温度範囲に維持することにより間接的に反応ガスを水和させるように、（冷媒チャネル内で）冷媒を循環することもできる。   The exemplary fuel cell 10 includes one or more fuel cell units 12 that can be stacked in a known manner to provide an assembly of the fuel cells 10. Each of the fuel cell units 12 includes an electrode assembly 14 and flow field plates 16 a and 16 b for supplying reaction gas (for example, air and hydrogen) to the electrode assembly 14. The flow field plate 16a can be an air plate for supplying air, and the flow field plate 16b can be a fuel plate for supplying hydrogen. The flow field plate 16a, the flow field plate 16b, or both maintain the desired operating temperature of the fuel cell 10 and indirectly hydrate the reaction gas by maintaining the electrode assembly 14 in the desired temperature range. Thus, the refrigerant can also be circulated (within the refrigerant channel).

電極アッセンブリ１４は、カソード触媒２０ａとアノード触媒２０ｂとの間に配置された電解質１８を備えることができる。ガス拡散層２２が、反応ガスの供給を容易にするように流れ場プレート１６ａ，１６ｂと電極アッセンブリ１４との間で使用され得る。   The electrode assembly 14 can include an electrolyte 18 disposed between the cathode catalyst 20a and the anode catalyst 20b. A gas diffusion layer 22 may be used between the flow field plates 16a, 16b and the electrode assembly 14 to facilitate the supply of reactive gases.

流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、実質的に同様に形成され得る。したがって、流れ場プレート１６ａについて開示した例は、流れ場プレート１６ｂにも適用され得る。他の例においては、流れ場プレート１６ｂを異なるように形成するか、もしくは流れ場プレート１６ｂが流れ場プレート１６ａと同様ないくつかの特徴を有することができる。   The flow field plates 16a, 16b can be formed substantially similarly. Thus, the example disclosed for flow field plate 16a can also be applied to flow field plate 16b. In other examples, the flow field plate 16b may be formed differently, or the flow field plate 16b may have some features similar to the flow field plate 16a.

流れ場プレート１６ａは、非多孔質プレートボディ３０を備えている。「非多孔質」は、固体であり、かつ、液体の水または他の流体を保持もしくは輸送するための多孔質プレートにおいて周知な開いた孔からなる網状組織を有していないボディに適用される。したがって、非多孔質プレートボディ３０は、流体に対するバリアである。   The flow field plate 16 a includes a non-porous plate body 30. “Nonporous” applies to a body that is solid and does not have a network of well-known open pores in a porous plate for holding or transporting liquid water or other fluids . Thus, the non-porous plate body 30 is a barrier to fluid.

非多孔質プレートボディ３０は、反応ガスチャネル３２および冷媒チャネル３４を備えている。反応ガスチャネル３２は、電極アッセンブリ１４の方向に向いた流れ場プレート１６ａの側に位置しており、冷媒チャネル３４は、流れ場プレート１６ａの反対側に位置している。図示した例では、チャネル３２，３４は直線的に示されているが、この説明を考慮すれば、当業者は、これらの特定の要求を満たす他のチャネル構成を理解するであろう。   The non-porous plate body 30 includes a reaction gas channel 32 and a refrigerant channel 34. The reactive gas channel 32 is located on the side of the flow field plate 16a facing the electrode assembly 14, and the refrigerant channel 34 is located on the opposite side of the flow field plate 16a. In the example shown, channels 32 and 34 are shown linearly, but given this description, those skilled in the art will appreciate other channel configurations that meet these specific requirements.

流れ場プレート１６ａは、望ましい形状に、プレス加工されるか、もしくは他の方法で形成され得る。この点については、流れ場プレート１６ａの一方の側においては、正面（ポジティブ）の特徴部が存在し、他方の側においては、裏面（ネガティブ）の特徴部が存在することになり、この逆の関係も成立する。プレス加工によって、例えば、比較的安価な費用で流れ場プレート１６ａを形成し、機械加工の作業のための要求を減少させることができる。流れ場プレート１６ａは、鋼、例えば、ステンレス鋼、または、他の適切な合金や材料で形成され得る。   The flow field plate 16a may be pressed or otherwise formed into a desired shape. In this regard, there is a front (positive) feature on one side of the flow field plate 16a and a back (negative) feature on the other side, and vice versa. The relationship is also established. By pressing, for example, the flow field plate 16a can be formed at a relatively low cost, reducing the demand for machining operations. The flow field plate 16a may be formed of steel, such as stainless steel, or other suitable alloy or material.

図２には、流れ場プレート１６ａの一方の側が示されている。他方の側が、可視の側の裏面の側であることを理解されたい。チャネル３２，３４は、（それぞれ反応ガスまたは冷媒である）流体を受けるための入口４２と、チャネル３２，３４から流体を吐出するための出口４４とを備えている。流れ場プレート１６ａは、非多孔質プレートボディ３０の第１の終端部３６と第２の終端部３８との間に延びるとともに、流れ場４０を備えている。本発明で用いられる用語「流れ場」は、空気、燃料および冷媒を供給するためのチャネル３２，３４と、チャネル３２，３４と空気、燃料または冷媒を供給するためのマニホールドとの間の他の領域とのいずれかまたは全てに適用され得る。反応ガスチャネル３２を反応ガス（流れ場プレート１６ａの場合には、空気、流れ場プレート１６ｂの場合には、燃料）用の流れ場とし、冷媒チャネル３４を冷媒用の流れ場とすることができる。   FIG. 2 shows one side of the flow field plate 16a. It should be understood that the other side is the back side of the visible side. Channels 32 and 34 include an inlet 42 for receiving fluid (reactive gas or refrigerant, respectively) and an outlet 44 for discharging fluid from channels 32 and 34. The flow field plate 16 a extends between the first end portion 36 and the second end portion 38 of the non-porous plate body 30 and includes a flow field 40. As used herein, the term “flow field” refers to channels 32, 34 for supplying air, fuel and refrigerant, and other channels 32, 34 and manifolds for supplying air, fuel or refrigerant. It can be applied to any or all of the regions. The reactive gas channel 32 can be a flow field for a reactive gas (air in the case of the flow field plate 16a, fuel in the case of the flow field plate 16b), and the refrigerant channel 34 can be a flow field for the refrigerant. .

流れ場４０の各々は、流体入口部５０および流体出口部５２を備えている。反応ガスの流れ場４０は、電極アッセンブリ１４に反応ガスを供給し（図１）、電気化学反応を生じさせるための大部分であり、電極アッセンブリ１４と並列に配置されている。また、流体入口部５０および流体出口部５２も、電極アッセンブリ１４の一部と並列に配置されている。図示した例では、流体入口部５０は、第１の終端部３６からチャネルの入口４２へと末広がりに拡散し、流体出口部５２は、チャネルの出口４４から第２の終端部３８へと収束している。   Each flow field 40 includes a fluid inlet 50 and a fluid outlet 52. The reactive gas flow field 40 is a large part for supplying the reactive gas to the electrode assembly 14 (FIG. 1) and causing an electrochemical reaction, and is arranged in parallel with the electrode assembly 14. Further, the fluid inlet portion 50 and the fluid outlet portion 52 are also arranged in parallel with a part of the electrode assembly 14. In the illustrated example, the fluid inlet 50 diffuses from the first termination 36 to the channel inlet 42 and the fluid outlet 52 converges from the channel outlet 44 to the second termination 38. ing.

流れ場プレート１６ａは、一方の側に、反応ガスチャネル３２へ反応ガスを供給するための１つの流体入口部５０を備えており、背面側に（裏面として）冷媒チャネル３４へ冷媒を供給するための他の流体入口部５０を備えている。同様に、流れ場プレート１６ａは、図２の可視の側に、反応ガスを収集するための流体出口部５２を備えており、背面側に（裏面として）冷媒を収集するための他の流体出口部５２を備えている。しかし、反応ガスおよび冷媒の流れ方向に基づいて、可視側の流体入口部５０の背面／裏面は、流体出口部５２となり、可視側の流体出口部５２の背面／裏面は、流体入口部５０となり得る。   The flow field plate 16a has one fluid inlet 50 for supplying the reaction gas to the reaction gas channel 32 on one side, and supplies the refrigerant to the refrigerant channel 34 on the back side (as the back surface). Another fluid inlet 50 is provided. Similarly, the flow field plate 16a has a fluid outlet 52 for collecting reaction gas on the visible side of FIG. 2 and another fluid outlet for collecting refrigerant on the back side (as the back side). A portion 52 is provided. However, based on the flow direction of the reaction gas and the refrigerant, the back surface / back surface of the visible fluid inlet portion 50 becomes the fluid outlet portion 52, and the rear surface / back surface of the visible fluid outlet portion 52 becomes the fluid inlet portion 50. obtain.

図示した例では、流れ場プレート１６ａは、拡散形状および集束形状を達成するために、不規則な八角形形状とされている。しかし、形状は八角形に限定されるものではなく、他の例では、流れ場プレート１６ａは、拡散形状および集束形状を達成するために、異なる多角形形状、または多角形ではない形状、例えば、楕円、湾曲形状等とすることができる。   In the illustrated example, the flow field plate 16a has an irregular octagonal shape to achieve a diffusing shape and a focusing shape. However, the shape is not limited to an octagon, and in other examples, the flow field plate 16a may have a different polygonal shape or a non-polygonal shape, e.g. It can be an ellipse, a curved shape, or the like.

流体入口部５０および流体出口部５２は、直線端部壁５４と、該直線端部壁５４と垂直にならないように延びる２つの直線側部壁５６とを備えることができる。直線側部壁５６と直線端部壁５４との間の角度によって、拡散形状または集束形状の各々が提供される。図示した角度は、望ましい拡散または集束の程度や、流体入口部５０および流体出口部５２の大部分の望ましい広さに基づいて変化し得る。   The fluid inlet portion 50 and the fluid outlet portion 52 can include a straight end wall 54 and two straight side walls 56 extending so as not to be perpendicular to the straight end wall 54. The angle between the straight side wall 56 and the straight end wall 54 provides each of a diffusing shape or a focusing shape. The angle shown may vary based on the desired degree of diffusion or focusing and the desired width of most of the fluid inlet 50 and fluid outlet 52.

流体入口部５０および流体出口部５２の各々の拡散形状および集束形状により、所定の流れ場４０への流体の供給が容易なものとなる。例えば、流体入口部５０へと供給される流体流は、側部壁５６に沿って、流れ場プレート１６ａの縁部の近くの外側チャネル３２’へと通流する。側部壁５６が直線端部壁５４と垂直であるとしたら、流体が角部の近くで円滑に流れることはなく、外側チャネル３２’への流れは抑制され得る。直線端部壁５４に対し側部壁５６を傾斜させて拡散形状を形成することにより、流体入口部５０は、チャネル３２へと流体をより均一に供給する。同様に、流体出口部５２が収束していることにより、チャネル３２から通流する流体が集中し、これにより、流体の収集が容易となる。   The fluid supply to the predetermined flow field 40 is facilitated by the diffusion shape and the focusing shape of each of the fluid inlet portion 50 and the fluid outlet portion 52. For example, the fluid flow supplied to the fluid inlet 50 flows along the side wall 56 to the outer channel 32 'near the edge of the flow field plate 16a. If the side walls 56 are perpendicular to the straight end walls 54, fluid will not flow smoothly near the corners and flow to the outer channel 32 'may be constrained. By inclining the side wall 56 with respect to the straight end wall 54 to form a diffusing shape, the fluid inlet 50 provides a more uniform supply of fluid to the channel 32. Similarly, the fluid outlet 52 is converged, so that the fluid flowing from the channel 32 is concentrated, thereby facilitating fluid collection.

また、燃料電池１０は、流れ場４０へと向かう反応ガスおよび冷媒を供給し、流れ場４０からの反応ガスおよび冷媒を収集するために、マニホールド６０，６２，６４，６６，６８，７０を備えている。マニホールド６０，６４は、流体入口部５０の側部壁５６の近くに配置されており、マニホールド６２は、端部壁５４の近くに配置されている。マニホールド６６，７０は、流体出口部５２の側部壁５６の近くに配置されており、マニホールド６８は、端部壁５４の近くに配置されている。   The fuel cell 10 also includes manifolds 60, 62, 64, 66, 68, and 70 for supplying the reaction gas and the refrigerant toward the flow field 40 and collecting the reaction gas and the refrigerant from the flow field 40. ing. The manifolds 60 and 64 are disposed near the side wall 56 of the fluid inlet portion 50, and the manifold 62 is disposed near the end wall 54. Manifolds 66 and 70 are located near the side wall 56 of the fluid outlet 52 and the manifold 68 is located near the end wall 54.

個別のマニホールド６０，６２，６４，６６，６８，７０は、流体の供給を容易にするか、もしくは燃料電池の他の目的を達成するために、所定の流れ場４０へ燃料、空気または冷媒を供給するための入口か、もしくは所定の流れ場４０から燃料、空気または冷媒を収集するための出口として使用され得る。例えば、燃料、空気または冷媒の各々の流れが燃料電池１０の基準面、例えば、燃料電池１０の傾斜面または中央面に対し概ね対称とされた「対称」構成を選択することができる。１つの例では、マニホールド６２は空気を供給し、マニホールド６８は空気を収集し、マニホールド７０は燃料を供給し、マニホールド６０は燃料を収集し、マニホールド６４は冷媒を供給し、マニホールド６６は冷媒を収集する。したがって、空気は燃料電池１０を横切って通流し、燃料は、（図２において右下から左上へと）上方に通流し、冷媒は、（左下から右上へと）上方に通流する。この説明を考慮することにより、当業者は、これらの特定の要求を満たす他の対称構成を理解するであろう。   Individual manifolds 60, 62, 64, 66, 68, 70 provide fuel, air, or refrigerant to a predetermined flow field 40 to facilitate fluid delivery or to achieve other objectives of the fuel cell. It can be used as an inlet for supplying or as an outlet for collecting fuel, air or refrigerant from a given flow field 40. For example, a “symmetric” configuration can be selected in which each flow of fuel, air, or refrigerant is generally symmetric with respect to a reference plane of the fuel cell 10, eg, an inclined or central plane of the fuel cell 10. In one example, manifold 62 supplies air, manifold 68 collects air, manifold 70 supplies fuel, manifold 60 collects fuel, manifold 64 supplies refrigerant, and manifold 66 supplies refrigerant. collect. Accordingly, air flows across the fuel cell 10, fuel flows upward (from lower right to upper left in FIG. 2), and refrigerant flows upward (from lower left to upper right). In view of this description, those skilled in the art will appreciate other symmetric configurations that meet these specific requirements.

一般に、マニホールド６４とマニホールド６６との間を通流する冷媒の温度は上昇し、マニホールド６２とマニホールド６８との間を通流する空気は湿気が高くなり、燃料は、マニホールド７０へ流入する際に比較的乾燥している。燃料電池１０の温度および湿度の変化により、周知のように、燃料電池１０の性能に悪影響を及ぼし得る。しかし、例えば、燃料電池１０を通る空気および燃料からなる対向流（つまり、互いに反対方向の流れ）と、空気および冷媒からなる並流（つまり、同一方向の流れ）とを有した単一通路システムを設けることにより、対称構成が上記悪影響を制限する。流体出口部５２の近くの湿った水分が、電極アッセンブリ１４を横切る水分の移動により、流入する乾燥した燃料を加湿することができるので、空気および燃料からなる対向流は燃料の加湿を容易にする。燃料電池１０を出る湿った空気が、燃料電池１０を出る高温の冷媒と並行しているので、空気および冷媒からなる並流は、空気の加湿を容易にする。冷媒からの熱は、水分を蒸発状態に維持する。さらに、対称構成における冷媒は上方へと通流し、これにより、気泡の閉じ込めの防止が容易となる。   In general, the temperature of the refrigerant flowing between the manifold 64 and the manifold 66 rises, the air flowing between the manifold 62 and the manifold 68 becomes humid, and the fuel flows as it flows into the manifold 70. It is relatively dry. Changes in the temperature and humidity of the fuel cell 10 can adversely affect the performance of the fuel cell 10 as is well known. However, for example, a single-pass system having a counter flow consisting of air and fuel (ie, flows in opposite directions) through the fuel cell 10 and a cocurrent flow (ie, flows in the same direction) consisting of air and refrigerant. By providing a symmetrical configuration, the adverse effects are limited. Moist moisture near the fluid outlet 52 can humidify the incoming dry fuel by the movement of moisture across the electrode assembly 14, so the counterflow of air and fuel facilitates fuel humidification. . Since the humid air exiting the fuel cell 10 is in parallel with the hot refrigerant exiting the fuel cell 10, the cocurrent flow of air and refrigerant facilitates humidification of the air. The heat from the refrigerant keeps the moisture in an evaporated state. Furthermore, the refrigerant in the symmetric configuration flows upward, thereby facilitating prevention of bubble confinement.

他の例においては、空気が燃料電池１０を横切って通流するのではなく燃料電池１０を上方または下方に通流し、燃料が燃料電池１０を上方に移動するのではなく燃料電池１０を横切ってまたはこれを下方に通流し、冷媒が燃料電池１０を上方に移動するのではなく燃料電池１０を横切ってまたはこれを下方に通流するようにされた他の「対称」構成を選択することができる。   In other examples, air does not flow across the fuel cell 10, but flows up or down the fuel cell 10, and fuel crosses the fuel cell 10 rather than moving up the fuel cell 10. Or select another “symmetric” configuration that allows the refrigerant to flow down and the refrigerant to flow across or down the fuel cell 10 rather than moving up the fuel cell 10. it can.

ある例においては、空気、燃料または冷媒の少なくとも１つの流れが概ね対称でないものとされた「非対称」構成を選択することができる。１つの例では、マニホールド６２は空気を供給し、マニホールド６６は空気を収集し、マニホールド７０は燃料を供給し、マニホールド６０は燃料を収集し、マニホールド６４は冷媒を供給し、マニホールド６８は冷媒を収集する。他の例では、マニホールド６２は燃料を供給し、マニホールド７０は燃料を収集し、マニホールド６６は空気を供給し、マニホールド６４は空気を収集し、マニホールド６８は冷媒を供給し、マニホールド６０は冷媒を収集する。この説明を考慮すると、当業者は、他の非対称構成を理解するであろう。可能な非対称構成の一部は、望ましい対向流および並流を提供し得るが、流れ場を通る流れは、対称構成の流れほどは均一なものとはなり得ない。   In some examples, an “asymmetric” configuration may be selected in which at least one flow of air, fuel, or refrigerant is not generally symmetric. In one example, manifold 62 supplies air, manifold 66 collects air, manifold 70 supplies fuel, manifold 60 collects fuel, manifold 64 supplies refrigerant, and manifold 68 supplies refrigerant. collect. In another example, manifold 62 supplies fuel, manifold 70 collects fuel, manifold 66 supplies air, manifold 64 collects air, manifold 68 supplies refrigerant, and manifold 60 supplies refrigerant. collect. In view of this description, those skilled in the art will appreciate other asymmetric configurations. Some of the possible asymmetric configurations can provide the desired counter-current and co-current flow, but the flow through the flow field cannot be as uniform as the flow in the symmetric configuration.

流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、チャネル３２，３４への流体の均一な供給を促進するための特徴部を備えることができる。例えば、流体入口部５０、流体出口部５２またはこれらの双方は、流れを案内するための１つまたは複数の流れガイド５８を備えることができる。１つの例として、米国の共同出願（代理人整理番号６７，１２４−１３０および６７，１２４−１３２）は、数個の例示的な流れガイドおよび構成を開示している。流体入口部５０の流れガイド５８は、チャネル３２，３４への流体の均一な供給を促進するように、マニホールド６０，６２，６４のうちの所定の１つから、所定のマニホールド６０，６２，６４から最も離間して配置されたチャネル３２，３４の一部へと流体を案内することができる。流体出口部５２の流れガイド５８は、チャネル３２，３４からの流体の均一な収集を促進するように、所定のマニホールド６６，６８，７０から最も離間して配置されたチャネル３２，３４から、所定のマニホールド６６，６８，７０へと流体を案内する。   The flow field plates 16a, 16b can include features to facilitate uniform supply of fluid to the channels 32,34. For example, the fluid inlet portion 50, the fluid outlet portion 52, or both, can include one or more flow guides 58 for guiding the flow. As one example, US joint applications (Attorney Docket Nos. 67,124-130 and 67,124-132) disclose several exemplary flow guides and configurations. A flow guide 58 at the fluid inlet 50 from a predetermined one of the manifolds 60, 62, 64 to a predetermined manifold 60, 62, 64 to facilitate a uniform supply of fluid to the channels 32, 34. Fluid can be guided to a portion of the channels 32, 34 that are located farthest away from each other. The flow guide 58 of the fluid outlet 52 is pre-determined from the channels 32, 34 that are located farthest from the pre-determined manifolds 66, 68, 70 to facilitate uniform collection of fluid from the channels 32, 34. The fluid is guided to the manifolds 66, 68 and 70.

図３には、図２に示した配置における流れ場プレート１６ａの断面図が示されている。また、簡潔のために流れガイド５８は省略されている。流体入口部５０は、可変の流れ深さを備えることができる。例えば、流体入口部５０は、浅部７６と、非多孔質プレートボディ３０の厚さ方向８０において浅部７６よりも深く形成された深部７８とを備えている。この場合、浅部７６の裏面は、流れ場プレート１６ａの背面側に位置する深部７８’であり、深部７８の裏面は、背面側に位置する浅部７６’である。図示した例においては、浅部７６，７６’および深部７８，７８’との間の移行部は、比較的緩やかであるが、他の例においては、図示したものよりも、移行部をより急崚なものまたはより緩やかなものとすることができる。   FIG. 3 shows a cross-sectional view of the flow field plate 16a in the arrangement shown in FIG. Also, the flow guide 58 is omitted for the sake of brevity. The fluid inlet 50 can have a variable flow depth. For example, the fluid inlet portion 50 includes a shallow portion 76 and a deep portion 78 formed deeper than the shallow portion 76 in the thickness direction 80 of the non-porous plate body 30. In this case, the back surface of the shallow portion 76 is a deep portion 78 ′ located on the back side of the flow field plate 16 a, and the back surface of the deep portion 78 is a shallow portion 76 ′ located on the back side. In the illustrated example, the transition between the shallow portions 76, 76 'and the deep portions 78, 78' is relatively gradual, but in other examples the transition is more abrupt than the illustrated one. It can be obscene or more lenient.

浅部７６，７６’および深部７８，７８’は、チャネル３２，３４への流体の均一な供給を容易にする。例えば、マニホールド６４を通して流体入口部５０へ流入する流体は、最初に、浅部７６を通して通流し、次に、深部７８へと流入する。深部７８は、この場合は、マニホールド６４から最も離間して配置されたチャネル３２の一部８２（図２）へより多量の流体を供給し、浅部７６は、マニホールド６４に近いチャネル３２の一部８４へより少量の流体を供給する。同様に、流体出口部５２は、マニホールド６６，６８，７０うちの１つに対し遠いかまたは近いチャネルからの流体の収集を容易にするための浅部７６，７６’および深部７８，７８’を備えることができる。例えば、マニホールド７０について、マニホールド７０に近い流体出口部５２の下側半分を浅部７６，７６’とし、上側半分を深部７８，７８’とすることができる。   The shallow portions 76, 76 ′ and the deep portions 78, 78 ′ facilitate uniform supply of fluid to the channels 32, 34. For example, fluid that flows into the fluid inlet 50 through the manifold 64 first flows through the shallow portion 76 and then flows into the deep portion 78. The deep portion 78 in this case supplies more fluid to a portion 82 (FIG. 2) of the channel 32 that is located farthest from the manifold 64, and the shallow portion 76 is one of the channels 32 close to the manifold 64. A smaller amount of fluid is supplied to section 84. Similarly, the fluid outlet 52 includes a shallow portion 76, 76 'and a deep portion 78, 78' to facilitate collection of fluid from a channel far or near to one of the manifolds 66, 68, 70. Can be provided. For example, for the manifold 70, the lower half of the fluid outlet 52 near the manifold 70 can be the shallow portions 76, 76 'and the upper half can be the deep portions 78, 78'.

また、中央のマニホールド６２，６８に均一に供給するために、流体入口部５０および流体出口部５２の中央部分を浅部７６，７６’とし、外側部分を深部７８，７８’とすることができる（もしくは、流体入口部５０および流体出口部５２の中央部分を深部７８，７８’とし、外側部分を浅部７６，７６’とすることができる。浅部７６，７６’および深部７８，７８’は、非対称構成において所定の流れ場４０へ向かう反応ガスまたは冷媒の流れをより均一化するように使用され得る。   Further, in order to supply uniformly to the central manifolds 62 and 68, the central portions of the fluid inlet portion 50 and the fluid outlet portion 52 can be shallow portions 76 and 76 ', and the outer portions can be deep portions 78 and 78'. (Alternatively, the central portion of the fluid inlet portion 50 and the fluid outlet portion 52 can be the deep portions 78, 78 ', and the outer portion can be the shallow portions 76, 76'. The shallow portions 76, 76 'and the deep portions 78, 78'. Can be used to make the flow of reactant gas or refrigerant towards a given flow field 40 more uniform in an asymmetric configuration.

図示した例には、特徴部の組み合わせが示されているが、本発明の種々の実施例の利益を実現するために、特徴部全てを組み合わせることは必要ない。つまり、本発明の実施例により設計されたシステムは、１つの図または概略的に図示した部分の全てに示した特徴部の全てを備える必要はない。さらに、１つの例示的な実施例の選択された特徴部を、他の例示的な実施例の選択された特徴部と組み合わせることができる。   Although the illustrated example shows a combination of features, it is not necessary to combine all of the features to realize the benefits of various embodiments of the present invention. That is, a system designed in accordance with an embodiment of the present invention need not include all of the features shown in one figure or all schematically illustrated parts. Further, selected features of one exemplary embodiment can be combined with selected features of another exemplary embodiment.

上記の説明は、例示的なものであり、限定的なものではない。当業者であれば、本発明の本質を逸脱することなく、種々の変更および修正がなされ得ることを理解するであろう。本発明に与えられる法的保護の範囲は、付記の特許請求の範囲を検討することにより決定されるのみである。   The above description is illustrative and not restrictive. Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the essence of the invention. The scope of legal protection afforded this invention can only be determined by studying the appended claims.

Claims (16)

第１の端部と第２の端部との間に延びる流れ場を有した非多孔質プレートボディを備え、
前記流れ場は、チャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、前記第１の端部から前記チャネル入口へと拡散する流体入口部と、前記チャネル出口から前記第２の端部へと集束する流体出口部とを備えることを特徴とする燃料電池において用いられる流れ場プレート。 A non-porous plate body having a flow field extending between a first end and a second end;
The flow field is focused from a plurality of channels having a channel inlet and a channel outlet, a fluid inlet that diffuses from the first end to the channel inlet, and from the channel outlet to the second end. A flow field plate for use in a fuel cell. 前記流れ場の外周が、八角形であることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。   The flow field plate according to claim 1, wherein an outer periphery of the flow field is an octagon. 前記流れ場の外周の少なくとも一部が曲線であることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。   The flow field plate according to claim 1, wherein at least a part of an outer periphery of the flow field is a curved line. 前記流体入口部は、直線端部壁と、直角ではない角度で該直線端部壁から延びる２つの直線側部壁とを備えることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。   The flow field plate of claim 1, wherein the fluid inlet comprises a straight end wall and two straight side walls extending from the straight end wall at a non-right angle. 前記流体入口部または前記流体出口部の少なくとも一方は、可変の深さを備えることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。   The flow field plate according to claim 1, wherein at least one of the fluid inlet portion and the fluid outlet portion has a variable depth. 前記複数のチャネルは、直線であることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。   The flow field plate according to claim 1, wherein the plurality of channels are straight lines. アノード触媒とカソード触媒との間に位置する電解質を有した電極アッセンブリと、
第１の端部と第２の端部との間に延びる前記電極アッセンブリに隣接した流れ場を有した非多孔質プレートボディと、
を備え、
前記流れ場は、チャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、前記第１の端部から前記チャネル入口へと拡散する流体入口部と、前記チャネル出口から前記第２の端部へと集束する流体出口部とを備えることを特徴とする燃料電池。 An electrode assembly having an electrolyte positioned between the anode catalyst and the cathode catalyst;
A non-porous plate body having a flow field adjacent to the electrode assembly extending between a first end and a second end;
With
The flow field is focused from a plurality of channels having a channel inlet and a channel outlet, a fluid inlet that diffuses from the first end to the channel inlet, and from the channel outlet to the second end. A fuel cell comprising a fluid outlet portion. 前記流体入口部および前記流体出口部に隣接した複数のマニホールドをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 7, further comprising a plurality of manifolds adjacent to the fluid inlet portion and the fluid outlet portion. 前記流体入口部および前記流体出口部の各々は、直線端部壁と、直角ではない角度で該直線端部壁から延びる２つの直線側部壁とを備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。   The fluid inlet portion and the fluid outlet portion each comprise a straight end wall and two straight side walls extending from the straight end wall at a non-right angle. Fuel cell. 前記直線側部壁に隣接した複数の反応ガスマニホールドをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 9, further comprising a plurality of reaction gas manifolds adjacent to the straight side wall. 前記直線端部壁に隣接した複数の冷媒マニホールドをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 9, further comprising a plurality of refrigerant manifolds adjacent to the straight end wall. 流体を前記流れ場へ供給するように、前記流体入口部の前記２つの直線側部壁の一方に隣接して配置された反応ガス入口マニホールドと、前記流れ場からの流体を吐出するように、前記流体出口部の前記２つの直線側部壁の一方に隣接して配置された反応ガス出口マニホールドと、をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。   A reactive gas inlet manifold disposed adjacent one of the two straight side walls of the fluid inlet to deliver fluid to the flow field, and discharge fluid from the flow field; The fuel cell according to claim 9, further comprising: a reaction gas outlet manifold disposed adjacent to one of the two straight side walls of the fluid outlet portion. 冷媒を前記流れ場へ供給するように、前記流体入口部の前記直線端部壁の１つに隣接して配置された冷媒入口マニホールドと、前記流れ場からの冷媒を吐出するように、前記流体出口部の前記直線端部壁の１つに隣接して配置された冷媒出口マニホールドと、をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。   A refrigerant inlet manifold disposed adjacent to one of the linear end walls of the fluid inlet to supply refrigerant to the flow field; and the fluid to discharge refrigerant from the flow field. The fuel cell according to claim 9, further comprising: a refrigerant outlet manifold disposed adjacent to one of the straight end walls of the outlet portion. 燃料電池において用いられる流れ場プレートを加工処理する方法であって、
流れ場が、非多孔質プレートボディの第１の端部と第２の端部との間に延び、かつチャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、前記第１の端部から前記チャネル入口へと拡散する流体入口部と、前記チャネル出口から前記第２の端部へと集束する流体出口部とを備えるように、前記非多孔質プレートボディに前記流れ場を形成することを含む方法。 A method of processing a flow field plate used in a fuel cell, comprising:
A flow field extending between a first end and a second end of the non-porous plate body and having a channel inlet and a channel outlet; and from the first end to the channel Forming the flow field in the non-porous plate body to comprise a fluid inlet portion diffusing to the inlet and a fluid outlet portion converging from the channel outlet to the second end. . 前記流れ場を形成することは、前記複数のチャネルと、前記流体入口部および前記流体出口部を形成するように前記非多孔質プレートボディをプレス加工することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。   15. The forming of the flow field includes pressing the non-porous plate body to form the plurality of channels, the fluid inlet portion and the fluid outlet portion. The method described in 1. 可変の深さを有するように前記流体入口部または前記流体出口部の少なくとも一方を形成することをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。   The method of claim 14, further comprising forming at least one of the fluid inlet portion or the fluid outlet portion to have a variable depth.
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